Príprava a vlastnosti vysokopevnostných ťažkých betónov

1. Úvod

Technológia vyhotovenia masívnych monolitických konštrukcií je veľmi náročná z pohľadu technologických postupov. Pevnosť betónu veľmi výrazne ovplyvňuje vodný súčiniteľ, teda pomer hmotnosti vody a cementu. Preto pre dosiahnutie vyšších pevností je treba držať množstvo vody čo možno najnižšie. Jeho znižovaním však ovplyvňujeme spracovateľnosť, ktorú je potrebné ponechať, a tiež nárast hydratačného tepla v konštrukcii ktoré je treba naopak znižovať. Na udržanie spracovateľnosti v dnešnej dobe stačí použiť prísady v podobe superplastifikátorov a pod. Tie však neupravujú množstvo hydratačného tepla akumulovaného počas celej doby hydratácie a ošetrovania betónu. A práve zníženie množstva hydratačného tepla sa v tomto výskume očakáva od použitia druhotných surovín. Znižovaním vodného súčiniteľa a následného zabezpečenia samozhutniteľnosti zmesi je možné ponechať betónu jeho dlhodobú vysokú pevnosť pri ekonomickej spotrebe zložiek.

1.1 Aktuálnosť problematiky

Téma využitia vedľajších produktov z výroby či už oceliarenskej alebo elektrárenskej je témou veľmi aktuálnou z dôvodu zvyšujúceho sa množstva týchto vedľajších produktov. Pre názornosť iba U.S. Steel Košice pri výrobe ocele vyprodukuje vyše milióna ton trosky [1]. Tá sa delí na oceliarsku a vysokopecnú trosku. Vysokopecná troska je už dlhší čas známa ako prímes do betónu. Avšak jej množstvo stále rastie a preto možnosť vyššieho pomeru nahradenia cementu touto zložkou je nutné preskúmať. Ďalším vedľajším produktom je metakaolín. Je to produkt, ktorý má puzolánové vlastnosti a vyrába sa výpalom kaolínov a kaolinitických ílov v teplotnom rozmedzí 600–900 °C. Taktiež kremičitý úlet vzniká ako odpad z niektorých hutníckych závodov. Má vyšší špecifický povrch a vynikajúce puzolánové vlastnosti. Jeho výhoda spočíva v zvyšovaní pevnosti betónu pri použití ako prímesi do spojiva ale aj jemného filleru. Problematikou priemyselných vedľajších produktov je nutné sa zaoberať z dôvodu ich rastúceho množstva.

1.2 Ciele výskumu

Cieľom tohto výskumu je dosiahnuť výrobu ťažkých betónov s vysoko úžitkovými vlastnosťami, na základe ekologického a energetického prístupu.

Cieľom prvej fázy výskumu je výroba skúšobných telies a následné podrobenie skúškam na zistenie vybraných fyzikálnych a mechanických vlastností.

2. Metodika výskumu

2.1 Použité Materiály

Plnivo do betónu:

• barytové kamenivo (BaSO₄)
• barytový koncentrát flotrovaný (BaSO₄)
• magnetitové kamenivo (Fe₃O₄)
• magnetitový prach (Fe₃O₄)

Spojivo do betónu:

• cement triedy CEM I 42,5 R
• zmesový cement zložený z cementu CEM I 42,5 R (65 %), vysokopecnej trosky (15 %), metakaolínu (5 %), kremičitého úletu (5 %)

Prísada:

• superplastifikátor STACHEMENT® 2025

2.2 Výroba skúšobných telies

Výroba skúšobných telies bola realizovaná v súlade s normami STN EN 206-1 [2] a STN EN 12390-1 [3]. Pozostávala zo zhotovenia skúšobných telies dvoch druhov, a to:

• kocka s rozmermi 150 × 150 × 150 mm
• hranol s rozmermi 100 × 100 × 400 mm

Dávkovanie jednotlivých plnív použitých na výrobu betónu štyroch koncepcií betónových zmesí boli zvolené nasledovne:

• C-BA-CEM (plnivo 100% baryt – spojivo čistý cement)
• C-MD-CEM (plnivo 100% magnetit – spojivo čistý cement)
• C-BM-CEM (plnivo 65% baryt, 35% magnetit – spojivo čistý cement)
• C-BM-BPC (plnivo 65% baryt, 35% magnetit – spojivo zmesový cement)

Plnivo do betónu bolo roztriedené do ôsmich frakcií nachádzajúcich sa v rozpätí od 0/0,125 do 8/16 podľa Tab. 2. Maximálne použité zrno kameniva D = 16 mm. Krivka zrnitosti kameniva spĺňa požiadavky STN EN 933-1 [4]. Každá zo zmesí obsahuje rovnakú hmotnostnú dávku spojiva s vodou. A teda vodný súčiniteľ w/c = 0,31 je zachovaný pre každú zo štyroch betónových zmesí.

2.3 Metodika vybraných skúšok

Výber skúšok pre overenie vlastností skúšobných vzoriek sa odvíjal od požiadaviek a podmienok, ktoré musia ťažké a vysokopevnostné betóny spĺňať. Skúšky sa realizovali v troch meracích termínoch, a to po 7 dňoch, po 28 dňoch a po 90 dňoch od výroby skúšobných telies.

Vybrané skúšky:

• objemová hmotnosť
• pevnosť v tlaku
• pevnosť v ťahu za ohybu
• statický modul pružnosti

Vysoká objemová hmotnosť, a teda objemová hmotnosť nad 2600 kg/m³, betónu je základným parametrom pre výrobu ťažkých betónov. Tento parameter je ovplyvnený najmä voľbou vhodného ťažkého kameniva. Objemová hmotnosť skúšobných telies bola zistená za pomoci digitálneho posuvného meradla a presnej váhy kde sa jednotlivé zistené parametre dosadili do vzorca na výpočet objemovej hmotnosti [5]:

kde je

ρ_v

objemová hmotnosť betónu [kg.m⁻³]

m

hmotnosť skúšobného telesa [kg]

V

objem vzorky [m³]

Objemová hmotnosť čerstvého betónu bola zistená počas výroby, pri ukladaní čerstvého betónu do foriem. Je daná vzťahom:

kde je

ρ_čb

objemová hmotnosť čerstvého betónu [kg.m⁻³]

m

hmotnosť formy naplnenej čerstvým betónom [kg]

m₀

hmotnosť prázdnej formy [kg]

V₀

objem formy [m³]

Pevnosť v tlaku betónu je základným parametrom či už vo fáze návrhu výroby alebo preukazných skúšok. Všetky betóny sú zatrieďované do kategórií na základe ich pevnostnej triedy. Skúška pevnosti v tlaku betónu bola prevedená na skúšobných telesách v tvare kocky s rozmermi 150 × 150 × 150 mm, za pomoci skúšobného lisu s maximálnou prítlačnou silou 3000 kN. Po stlačení vzoriek bol odsledovaný priebeh porušenia vzorky, ktorý v každom z prípadov splnil požiadavky na smer porušenia vzorky podľa STN EN 12390-4 [6]. Následne sa sila pri porušení skúšobného telesa dosadila do vzťahu pre výpočet pevnosti v tlaku betónu [6]:

kde je

f_c

pevnosť v tlaku betónu [N.mm⁻²]

F

sila pri porušení skúšobného telesa [kN]

A

prítlačná plocha skúšobného telesa [mm]

Pevnosť betónu v ťahu pri ohybe je nasledujúcou vybranou skúškou a realizovala sa na trámcoch s rozmermi 100 × 100 × 400 mm. Porušenie takejto nevystuženej vzorky sa nazýva krehký lom. Keďže odolnosť betónu v ťahu je v podstatnej miere menšia ako v tlaku, prasklina sa vytvorí najprv v ťahanej časti betónu odkiaľ sa náhle šíri naprieč vzorkou do tlakovej časti. Sila pri porušení skúšobného telesa sa následne dosadí do vzorca pre výpočet pevnosti betónu v ťahu pri ohybe [7]:

kde je

f_cf

pevnosť v ťahu betónu [N.mm⁻²]

F

sila pri porušení skúšobného telesa [kN]

l

rozostup medzi podpernými valčekmi [mm]

d₁ , d₂

rozmery priečneho rezu skúšobného telesa

Statický modul pružnosti betónu v tlaku sa zisťoval zaťažovaním skúšobného telesa v tlaku na skúšobnom lise s maximálnou prítlačnou silou 1000 kN. Zaťažovanie prebiehalo v troch zaťažovacích cykloch. Meranie sa realizovalo za pomoci príložného deformometra. Dĺžkové zmeny sa odčítavali pri hodnote základného napätia 0,5 N.mm⁻² a pri hodnote 1/3 očakávanej pevnosti v tlaku skúšobného telesa v časoch t₀ a t₆₀. Dĺžkové zmeny v poslednom cykle sa zisťovali aj priebežne počas zaťažovania, a to v intervale 2 N.mm⁻² po hodnotu 30 N.mm⁻². Statický modul pružnosti v tlaku E_c sa následne určil zo vzťahu [8]:

kde je

σ_a

horné napätie v 1/3 z maximálneho napätia f_c [N.mm⁻²]

σ_b

základné napätie [0,5 N.mm⁻²]

ε_a

priemerné pomerné pretvorenia pri hornom zaťažovacom napätí

ε_b

priemerné pomerné pretvorenia pri základnom napätí

3. Výsledky

3.1 Objemová hmotnosť

Najvyššiu objemovú hmotnosť dosahujú skúšobné telesá v čerstvom stave z pochopiteľných dôvodov, keďže boli plne nasýtené vodou. Postupne ako sa časť vody spotrebúva na tvorbu hydratačných produktov v betóne a časť sa z neho odparuje, objemová hmotnosť klesá. Po 90 dňoch od výroby betónu v čase keď už na betón nepôsobí ani autogénne zmrašťovanie, teda zmrašťovanie z dôsledku vysychania betónu počas hydratácie, sú objemové zmeny materiálu podmienené klimatickým zmenám v prostredí v ktorom sa nachádzajú. Najvyššiu objemovú hmotnosť zo všetkých skúšaných sérií dosahuje zmes C-MD-CEM z dôvodu vysokej objemovej hmotnosti použitého plniva magnetitu.

Z výsledkov uvedených v Tab. 3 vidíme že zmesový cement v porovnaní s čistým cementom v tomto prípade ovplyvňuje objemové hmotnosti betónu len v čase hydratácie po dobu úplného zhydratovania. V čerstvom stave pred začiatkom hydratácie a po úplnom zhydratovaní už nie.

3.2 Pevnosť v tlaku a pevnosť v ťahu pri ohybe

Najvyššie pevnosti v tlaku vzoriek sú dosiahnuté na zmesi C-MD-CEM, viď. Graf 1. Pri zmesiach zo zmesového plniva však môžeme vidieť že zmesový cement má pozitívny vplyv na vývoj pevnosti v tlaku betónu. Najlepšie výsledky skúšky pevnosti v ťahu pri ohybe dosahuje rovnaká zmes. Zásluhu za to najpravdepodobnejšie preberá práve zvolené plnivo magnetit a jeho výhodné fyzikálne a mechanické vlastnosti, viď. Graf 2.

3.3 Statický modul pružnosti v tlaku

Na grafe 3 je vidieť priebeh modulu pružnosti v tlaku v závislosti od veku betónu. S vekom betónu narastá hodnota modulu pružnosti v tlaku a spolu s ňou sa tým pádom sa zmenšujú hodnoty deformácií betónu [8].

4. Záver a diskusia

4.1 Zhrnutie

Výskum sa nachádza vo svojej prvej fáze. V nej sa vytvorila základná koncepcia zloženia ťažkého betónu ktorá sa následne upravovala podľa použitých materiálov. Podľa tejto koncepcie boli vyhotovené skúšobné telesá dvoch druhov v štyroch rôznych koncepciách dávkovania jednotlivých zložiek na ktorých boli realizované vybrané skúšky na určenie základných objemových a deformačných vlastností. Výsledky meraní potvrdili splnenie cieľa tejto fázy. Skúšobné vzorky vyhoveli požiadavke na objemovú hmotnosť vyššiu ako 2600 kg.m⁻³, a teda bol vytvorený ťažký betón. Najnižšia získaná hodnota 28dňovej objemovej hmotnosti bola 3210 kg.m⁻³. Výsledky skúšok deformačných vlastností betónov priaznivo dopĺňajú charakteristiky týchto betónov. Všetky betónové zmesi po 28 dňoch dosiahli triedu pevnosti betónu vyššiu ako C 50/60, a teda ich možno klasifikovať ako vysokopevnostné betóny.

4.2 Nasledujúci postup výskumu

Po kompletizácií všetkých výsledkov, a teda ukončení prvej fázy, sa výskum presunie do druhej fázy, v ktorej bude prebiehať optimalizácia zloženia zmesového cementu postupným percentuálnym nahrádzaním druhotnými surovinami pri zachovaní vlastností ťažkých betónov. V poslednej tretej fáze sa vyberie optimálna koncepcia zloženia ťažkého betónu, ktorá bude vystavená skúškam trvanlivosti v prostredí vystavenom gama a neutrónovým ožiareniam.

Poďakovanie

Príspevok bol financovaný z projektu Visegrad Group (V4) + Južná Kórea, „Spoločný výskumný program v oblasti chémie a chemického inžinierstva“.

Literatúra

1. DREISIG, R.: Využitie nachádza nielen v stavebníctve. U. S. Steel Košice, 24. 9. 2012. Dostupné na:
   https://www.usske.sk/sk/clanok/vyuzitie-nachadza-nielen-v-stavebnictve
2. STN EN 206+A1: Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda. Bratislava, 2017
3. STN EN 12390-1: Skúšanie zatvrdnutého betónu. Časť 1: Tvar, rozmery a iné požiadavky na skúšobné telesá a formy. Bratislava, 2013
4. STN EN 933-1: Skúšky na stanovenie geometrických charakteristík kameniva. Časť 1: Stanovenie zrnitosti. Sitový rozbor. Bratislava, 2012
5. STN EN 12390-7: Skúšanie zatvrdnutého betónu. Časť 7: Objemová hmotnosť zatvrdnutého betónu. Bratislava, 2011
6. STN EN 12390-4: Skúšanie zatvrdnutého betónu. Časť 4: Pevnosť v tlaku. Požiadavky na skúšobné stroje. Bratislava, 2001
7. STN EN 12390-5: Skúšanie zatvrdnutého betónu. Časť 5: Pevnosť v ťahu pri ohybe skúšobných telies. Bratislava, 2011
8. ŠEVČÍK, P., NÁJDENÁ, I.: Modul pružnosti betónu. TSUS, Stavebnícka ročenka 2010. Dostupné na:
   http://www.tsus.sk/o_tsus/publikacie/sevcik_najdena_stavebnickarocenka_def.pdf